DE60112382T2 - Oxidationsbeständige Werkstoffe aus Superlegierungen niedriger Dichte, geeignet zum Aufbringen von Wärmedämmschichten ohne Haftvermittlerschicht - Google Patents

Oxidationsbeständige Werkstoffe aus Superlegierungen niedriger Dichte, geeignet zum Aufbringen von Wärmedämmschichten ohne Haftvermittlerschicht Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades

Description

  • In dem Maße, in welchem sich Gasturbinenmaschinen entwickelt haben, haben die Anforderungen zugenommen, welche an Superlegierungen gestellt werden, welche die Betriebskomponenten solcher Turbinen bilden.
  • Frühe Gasturbinenmaschinen verwendeten polykristalline, gegossene Turbinenströmungsprofile ohne Schutzschichten. In der Turbinentechnik wurde entdeckt, dass verbesserte mechanische Eigenschaften erhalten werden konnten durch Gießen der Superlegierungsgegenstände mit säulenartiger Kornform, welche längliche Körner aufweist, deren Längsrichtung in der Richtung der Hauptbelastungsachse ist. Diese Technik reduziert die Anzahl von querverlaufenden Korngrenzen und verbesserte die mechanischen Eigenschaften der Komponenten. Auch begann man ungefähr zu dieser Zeit, schützende Beschichtungen zu verwenden, um die Komponenten vor Oxidation und Korrosion zu schützen.
  • Der nächste Schritt in der Entwicklung von Gasturbinenmaschinenkomponenten war die Entwicklung von Einkristallen. Einkristalle sind frei von internen Korngrenzen und bieten verbesserte mechanische Eigenschaften. Einkristalllegierungen wurden entwickelt zur Verwendung bei höheren Temperaturen und erforderten effektive Schutzbeschichtungen.
  • In den 1980ern beginnend wurde es verbreitet, keramische Wärmebarrierebeschichtungen zu verwenden, um Superlegierungskomponenten in den heißesten Bereichen der Maschine zu schützen, um thermische Isolierung zu schaffen und den Betrieb bei höheren Temperaturen zu ermöglichen.
  • US-Patente 4 248 940 und 4 321 311 beschreiben thermische Barrierebeschichtungen, welche eine Bindungsschicht verwenden, welche eine adhärente Aluminiumoxidschicht entwickelt, auf welcher eine keramische, wärmeisolierende Beschichtung haften kann.
  • Während Wärmebarrierebeschichtungen mit Bindungsschichten sehr effektiv als Wärmeisolatoren sind, trägt das Gewicht der Bindungsschicht zu der Zugspannung an rotierenden Komponenten bei, insbesondere bei modernen Maschinen, welche bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten arbeiten. Es ist auch bekannt, dass Bindungsschichten bei intermediären Temperaturen im Allgemeinen spröde sind; dieser Mangel an Duktilität trägt zur vorzeitigen Wärmeermüdungsrissbildung beim Maschinenbetrieb bei. Aus diesen Gründen und aus Kostengründen kann die Haltbarkeit von Strömungsprofilen verbessert werden durch Eliminierung der Bindungsschichten.
  • US-Patent 5 262 245 beschreibt ein keramisches Wärmebarrierebeschichtungssystem, welches eine Superlegierung aufweist, welche eine adhärente Aluminiumoxidschicht bildet, auf welcher die keramische Wärmebarrierebeschichtung ohne eine intermediäre Bindungsschicht haften kann. US-Patente 4 209 348, 4 459 160 und 4 643 782 beschreiben Superlegierungsverbindungen, welche geeignet sind, um als Einkristalle verwendet zu werden. Weitere Superlegierungszusammensetzungen sind beschrieben in EP-A-1 038 983 und US-A-5 783 318.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ein Nickel-basiertes Superlegierungssubstrat und eine Kombination dieser Nickel-basierten Superlegierung und eines Wärmebarrierenbeschichtungssystems, welches eine haltbare Aluminiumoxidschicht aufweist, welche in situ auf dem Substrat gebildet wird, und eine keramische Wärmebarriereschicht, welche direkt auf die Aluminiumoxidschicht ohne eine dazwischen liegende Bindungsschicht aufgetragen ist.
  • Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Nickel-basierten Superlegierungsgegenstand, aufweisend:
    • a) ein direktional gegossenes Substrat mit einer Einkristall-Mikrostruktur oder säulenartigen Korn-Mikrostruktur und einer Zusammensetzung, bestehend aus: von 7% bis 13% Cr; von 4,5% bis 7% Al; von 1% bis 2% Ti; von 3% bis 11% W; bis zu 12,5% Ta; bis zu 15% Co; von 0,05% bis 1,5% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 3,5% Mo; bis zu 1% Re; bis zu 0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,1% Zr; bis zu 2% Nb; bis zu 2% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Substratzusammensetzung einen Parameter P hat, der durch die folgende Gleichung berechnet ist: P = –200 Cr + 80 Mo2 – 250 Ti2 – 50(Ti × Ta) + 15 Nb + 200 W – 14 W2 + 30 Ta – 1,5 Ta2 + 2,5 Co + 1200 Al – 100 Al2 + 100 Re + 1000 Hf – 2000 Hf2 + 700 Hf3 – 2000 V – 500 C – 15000 B – 500 Zr,welcher 2500 nicht übersteigt;
    • b) eine haltbare haftende Aluminiumoxidschicht, welche mindestens an einem Teil des Substrats haftet; und
    • c) keramische Wärmebarrierebeschichtung, welche an der Aluminiumoxidschicht haftet.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gasturbinenmaschinenkomponente mit einer Wärmebeschichtung ohne Bindungsschicht, aufweisend die folgenden Schritte:
    • a) direktionales Gießen einer Superlegierung mit einer Zusammensetzung, bestehend aus: von 7% bis 13% Cr; von 4,5% bis 7% Al; von 1% bis 2% Ti; von 3% bis 11% W; bis zu 12,5% Ta; bis zu 15% Co; von 0,05% bis 1,5% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 3,5% Mo; bis zu 1% Re; bis zu0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,1% Zr; bis zu 2% Nb; bis zu 2% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Gussstück eine Einkristall-Mikrostruktur oder säulenartige Korn-Mikrostruktur hat, wobei die Substratzusammensetzung einen Parameter P hat, berechnet aus der Gleichung: P = – 200 Cr + 80 Mo2 – 250 Ti2 – 50(Ti × Ta) + 15 Nb + 200 W – 14 W2 + 30 Ta – 1,5 Ta2 + 2,5 Co + 1200 Al – 100 Al2 + 100 Re + 1000 Hf – 2000 Hf2 + 700 Hf3 – 2000 V – 500 C – 15000 B – 500 Zr, welcher 2500 nicht übersteigt;
    • b) Säubern der Oberfläche des Gussstücks;
    • c) Entwickeln einer haltbaren haftenden Aluminiumoxidschicht auf der sauberen Oberfläche des Gussstücks durch Erwärmen des Gussstücks auf eine erhöhte Temperatur in einer Umgebung mit niedrigem Sauerstoffpotential; und
    • d) Aufbringen einer keramischen Wärmebarrierebeschichtung auf die haltbare haftende Aluminiumoxidschicht.
  • Die Superlegierung ist eine Legierung mit relativ geringer Dichte mit hervorragenden Niederzyklus-Ermüdungseigenschaften, und die Wärmebarriereschicht haftet auf der Aluminiumoxidschicht, welche auf dem Substrat gebildet ist, ohne eine Bindungsschicht zu erfordern.
  • Die Kombination aus Superlegierung mit geringer Dichte und einem Wärmebarrierensystem ohne Bindungsschicht reduziert Zentrifugalbelastungen in Rotationsanwendungen durch Reduzieren des Komponentengewichts. Dies ist entscheidend für Anwendungen, bei welchen die Komponenten mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten in Betrieb sind.
  • Die Erfindung findet Verwendung in Gasturbinenmaschinenanwendungen, insbesondere Gasturbinenmaschinenschaufeln. Solche Schaufeln umfassen im Allgemeinen einen Strömungsprofilbereich und einen Wurzel- oder Befestigungsbereich.
  • Turbinenströmungsprofile arbeiten in Umgebungen mit hoher Temperatur, Temperaturen von über ca. 1500°F und werden üblicherweise intern gekühlt. Die Leistung, Haltbarkeit und Effizienz der Maschine kann verbessert werden durch thermisches Isolieren der Strömungsprofilbereiche der gekühlten Strömungsprofile.
  • Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft beschrieben.
  • Solange nichts anderes geschrieben steht, sind Zusammensetzungen in Gew.-% angegeben.
  • Fortschrittliche Superlegierungszusammensetzungen wurden entwickelt, welche verbesserte Festigkeit und Hochtemperatureigenschaften zeigen. Viele dieser fortschrittlichen Zusammensetzungen enthalten schwere Elemente, z.B. Rhenium, Molybdän und Wolfram, was ihre Dichte erhöht. Dichtere Legierungen, kombiniert mit höheren Rotationsgeschwindigkeiten, welche für moderne Turbinenkonstruktionen typisch sind, erhöhen die Zugbelastung auf sich bewegenden Strömungsprofilen. Die Zunahme der Belastung ist ein besonderes Problem im Wurzel- oder Befestigungsbereich der Turbinenschaufel.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Entdeckung, dass eine weniger dichte Klasse von Superlegierungen überraschenderweise oxidationsbeständiger gemacht werden kann durch geringe Veränderungen der Zusammensetzung, ohne andere kritische Eigenschaften zu verschlechtern. Es wurde gefunden, dass derart modifizierte Legierungen eine Aluminiumoxidschicht mit stark verbesserter Haftung und Haltbarkeit entwickeln und geeignet sind zur Verwendung als Substrat für Wärmebarrierebeschichtungen ohne das Erfordernis einer Bindungsschicht.
  • Diese Entdeckung hat positive Implikationen. Die Superlegierungen der Erfindung sind wesentlich weniger dicht als viele Superlegierungen, welche in jüngerer Zeit entwickelt wurden. Da außerdem keine Bindungsschicht mit den Superlegierungen der vorliegenden Erfindung notwendig ist, wird das Gewicht der fertigen Schaufel weiter reduziert, was die Zugkräfte, welche aus der Umdrehung der Maschine resultieren, reduziert. Andere Vorteile sind, dass thermisch mechanische Ermüdungs-Rissbildung (thermal mechanical fatigue – TMF-cracking) stark verzögert, reduziert oder eliminiert wird. Wir haben auch gefunden, dass die Absplitterungsbeständigkeit der Wärmebarriereschicht zunimmt, wenn die Wärmebarriereschicht direkt auf die erfindungsgemäße Superlegie rung (mit einer dünnen dazwischen liegenden Aluminiumoxidschicht) aufgebracht wird anstatt sie auf eine intermediäre Bindungsschicht aufzubringen.
  • Die vorliegende Erfindung entsteht aus der Entdeckung, dass das Hinzufügen von Yttrium und Hafnium zu bestimmten Superlegierungen bewirkt, dass sie eine haltbare, adhärente Aluminiumoxidschicht entwickeln, welche sowohl an dem Substrat als auch an einer keramischen Wärmebarrierebeschichtung haftet, wodurch das Erfordernis für eine intermediäre Bindungsschicht eliminiert wird.
  • Tabelle 1 Zusammensetzungsbereich in Gew.-% der Legierungen der Erfindung
    Figure 00080001
  • Tabelle 1 zeigt einen breiten Bereich für die Erfindung und drei bevorzugte Bereiche. Der breite Bereich umfasst Zusammensetzungen, welche geeignet sind für Gegenstände mit säulenartigen Körnern und Einkristallgegenstände. Die drei bevorzugten Bereiche sind optimiert für Einkristall-Anwendungen, indem C unter 0,05%, B unter 0,005% und Zr unter 0,1% gehalten wird. Bevorzugt unterliegen die Bereiche in Tabelle 1 der Bedingung, dass der Wert für (Al + Ti + 0,2 Ta) von ca. 6,5 bis 11,5 und am meisten bevorzugt von ca. 7,0 bis ca. 10,5 ist; während der Wert für (W + 0,8 Ta) von ca. 9,5 bis ca, 17,5 und am meisten bevorzugt von ca. 10,5 bis ca. 16,5 ist.
  • Ein entscheidender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Entdeckung, dass das Hinzufügen kleiner, sorgfältig kontrollierter Mengen von Hafnium und Yttrium zu diesen Legierungen ihre Oxidationsbeständigkeit wesentlich verbessert durch Verbessern der Haltbarkeit und Haftung der Aluminiumoxidschicht, welche sich bei Exposition gegenüber oxidierenden Bedingungen bildet. Wir verwenden kontrollierte thermische Oxidation bei Bedingungen mit geringem Sauerstoffpartialdruck, da wir gefunden haben, dass dies eine Aluminiumoxidschicht mit hervorragender Haftung und Haltbarkeit erzeugt.
  • Die verbesserte Haltbarkeit und Haftung der Schicht ermöglicht es, dass die üblicherweise verwendete metallische Bindungsschicht eliminiert wird. Die verbesserte Haftung und Haltbarkeit der Aluminiumoxidschicht, welche beobachtet wird, die aus dem Ausüben dieser Erfindung resultiert, ist überraschend und unerwartet, angesichts des relativ geringen Aluminiumgehalts in der erfindungsgemäßen Legierung und angesichts der geringen Mengen von Y und Hf, welche verwendet werden.
  • US-Patent 5 221 336 beschreibt Gusstechniken zur Steuerung der Menge von Y in Gussstücken.
  • US-Patent 4 719 080 definiert breite Bereiche für Nickel-basierte Superlegierungen und beschreibt eine Größe mit der Bezeichnung P Parameter, welche unter Verwendung einer Gleichung berechnet wird, welche ein erwünschtes Verhältnis zwischen verschiedenen Elementen definiert, um eine optimale Kombination aus Eigenschaften mit einem Fokus auf hoher Kriechfestigkeit zu erhalten. Die Gleichung für den P Parameter aus US 4 719 080 ist im Folgenden Wiedergegeben:
  • Gleichung I – P Parameter
    • P = –200 Cr + 80 Mo2 – 250 Ti2 – 50(Ti × Ta) + 15 Cb + 200 W – 14 W2 + 30 Ta – 1,5 Ta2 + 2,5 Co + 1200 Al – 100 Al2 + 100 Re + 1000 Hf – 2000 Hf2 + 700 Hf3 – 2000 V – 500 C – 15000 B – 500 Zr
  • Obwohl der P Parameter ein guter Indikator/prädiktiver Faktor für Kriecheigenschaften für Superlegierungen ist, erfordert das Erreichen eines hohen P Parameters allgemein, dass schwere Legierungselemente verwendet werden. Die resultierende Zunahme der Legierungsdichte führt zu erhöhten Zentrifugalkräften während des Betriebs ohne gleichzeitige Verbesserung der Niederzyklusermüdungsfestigkeit, wodurch letztendlich manche der verbesserten Kriecheigenschaften, welche sich aus einem hohen P Parameter ergeben, negiert werden.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen haben geringe bis moderate Konzentrationen an schweren Legierungselementen, verglichen mit derzeitigen hochfesten Legierungen und sind deswegen weniger dicht und entwickeln geringere Zentrifugalkräfte als Legierungen mit höheren P Parametern. Da auch die vorliegende Erfindung keine Bindungsschicht für das Haften der Wärmebarriereschicht erfordert, ist die effektive Dichte einer wärmebarrierebeschichteten Komponente weiter reduziert; da es sich versteht, dass Bindungsschichten das Komponentengewicht vergrößern.
  • Der im US-Patent 4 719 080 für eine Legierung mit hochfesten Eigenschaften offenbarte minimale P Parameter ist 3360, und der in diesem Patent offenbarte maximale P Parameter ist 4700. Wenn die Kompositionszusammenbereiche in Tabelle 1 in die P Parametergleichung eingefügt werden, ist der höchste Wert für den breiten Bereich ca. 2130, und der geringste Wert für den breiten Bereich ist minus 807. Daher unterscheiden sich die Zusammensetzungen, welche im Fokus der vorliegenden Erfindungen liegen, von jenen im US-Patent 4 719 080 durch den P Parameter. Allgemein gesagt, um die erwünschte Kombination aus hoher Niederzyklus-Ermüdungsfestigkeit und geringerer Dichte zu erreichen, sollte der P Parameter weniger als ca. 2500 und vorzugsweise weniger als ca. 1800 sein.
  • Die verbesserte Haftung zwischen der Aluminiumoxidschicht und der Wärmebarrierebeschichtung, welche aus den Additionen von Yttrium und Hafnium resultiert, ist überraschend und für diese Legierungen nicht vorhersagbar.
  • Die Legierungen der Erfindung erzeugen Aluminiumoxidschichten, welche haltbar und haftend sind. Diese haftenden Schichten gewährleisten gute Haftung einer nachträglich aufgetragenen keramischen Beschichtung und verbessern auch die unbeschichtete Oxidationsbeständigkeit.
  • Die Aluminiumschicht wird vorzugsweise durch thermische Oxidation der Oberfläche der Erfindungslegierung vor dem Aufbringen der keramischen Wärmebarrierebeschichtung entwickelt bzw. erzeugt. Oxidation wird vorzugsweise durchgeführt in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffpotenzial. Eine Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von ca. –30°F (–34°C) bis ca. –100°F (–73°C) bei Temperaturen von 1800 bis 2100 (982 bis 1149°C) für 1 bis 10 h ist bevorzugt. Eine besonders bevorzugte Wärmebehandlung ist bei ca. 1975°F (1080°C) für ca. 4 h bei einem Taupunkt von ca. –40°F (–40°C). USSN 09/274,127 beschreibt Details eines bevorzugten Verfahrens zur Aufbereitung der Oberfläche. Die Dicke der resultierenden Aluminiumoxidschicht wird von ca. 0,2 bis ca. 2 μm und vorzugsweise von ca. 0,5 bis ca. 1,5 μm sein.
  • Für Zwecke dieser Offenbarung wird eine Aluminiumoxidschicht als haltbar und haftend definiert, wenn sie 10 und vorzugsweise 100 Brennerzyklen ohne Schicht-Absplitterungen übersteht, wobei jeder Zyklus 4 min in einer Flamme von 2100°F (1149°C) und 2 min bei erzwungener Luftkühlung aufweist.
  • Die keramischen Beschichtungen, welche als Wärmebarrierebeschichtung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Oxidkeramiken und Mischungen aus Oxidkeramiken. Insbesondere kann vollständig oder teilweise stabilisiertes Zirkonoxid verwendet werden, wobei Zusätze eines Oxids, welches gewählt ist aus der Gruppe, die aus Y2O3, Yb2O3, CaO und MgO und Mischungen daraus besteht, als Stabilisatoren verwendet werden können.
  • Mit 5 bis 20 Gew.-% Y2O3-stabilisiertes Zirkonoxid ist ein Industriestandard. Andere Keramiken auf Ceroxidbasis können verwendet werden, wie auch Pyrochlor-Keramiken und nahezu Pyrochlor-Keramiken, wobei die Pyrochlorverbindung A2B2O7 verwendet wird, wobei A gewählt ist aus der Gruppe, die aus La, Gd, Y und Mischungen daraus besteht und wobei B aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ti, Zr, Hf und Mischungen daraus besteht.
  • Die Wärmebarriereschicht kann auch aufgebracht werden durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung (electron beam physical vapor deposition – EBPVD) oder durch Plasma- oder Flammensprühtechniken. EBPVD-Aufbringungsverfahren sind bevorzugt für Verwendung auf rotierenden Teilen. US-Patente 4 321 311 und 5 262 245 stellen solche Techniken dar. Wie in US 4 321 311 beschrieben, besitzen keramische Beschichtungen, welche durch EBPVD-Techniken aufgebracht werden, eine vorteilhafte spannungstolerante säulenartige Mikrostruktur, welche gutes Haften unterstützt. Eine Keramikbeschichtungsdicke von 3 bis 10 mils (76 bis 254 μm) ist typisch.
  • Das erfindungsgemäße Legierungsbeschichtungssystem bietet eine verbesserte Lebensdauer bezüglich Absplittern der Wärmebarriere.
  • Beispiel I
  • Drei Sätze beschichtete Proben wurden in einem Brenner getestet mit einem Zyklus, welcher 4 min bei 2200°F (1205°C) und 2 min bei erzwungener Luftkühlung aufwies.
  • Die drei Sätze Proben waren wie folgt:
    • 1. Einkristalllegierung PWA 1484 (beschrieben in US-Patent 4 719 080) mit einer 5 mils (127 μm) Beschichtung einer metallischen Überzugbeschichtung (beschrieben in US-Patent 4 321 311) mit einer 10 mils (254 μm) Wärmebarrierebeschichtung, aufweisend mit 7% Yttrium stabilisiertes ZrO2, aufgebracht durch EBPVD.
    • 2. Einkristalllegierung, bevorzugte Zusammensetzung A aus Tabelle 1, aufweisend 0,1% Hafnium und 100 ppm Y mit einer 10 mils Wärmebarrierebeschichtung, aufweisend mit 7% Y stabilisiertes ZrO2, aufgebracht durch EBPVD.
    • 3. Einkristalllegierung, bevorzugte Zusammensetzung A in Tabelle 1, aufweisend 0,35% Hafnium und 100 ppm Y mit einer 10 mils Wärmebarrierebeschichtung, aufweisend mit 7% Y stabilisiertes ZrO2, aufgebracht durch EBPVD.
  • Die Ergebnisse waren wie folgt (Durchschnitt von 4 Proben):
    • 1. 100% relative Absplitterungslebensdauer
    • 2. 136% relative Absplitterungslebensdauer
    • 3. 224% relative Absplitterungslebensdauer
  • Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Wärmebarriere-Absplitterungslebensdauer bietet.
  • Die Legierung der Erfindung ist weniger dicht als in jüngster Zeit entwickelte Legierungen mit hoher Kriechfestigkeit, z.B. PWA 1484, beschrieben in US-Patent 4 719 080. Die reduzierte Dichte der Erfindung ist insbesondere signifikant für rotierende Turbinenkomponenten, z.B. Turbinenschaufeln.
  • In manchen Konstruktionen sind Turbinenlaufschaufeln eingeschränkt durch die Niederzyklusermüdungseigenschaften im Bereich der Wurzel, wo die Schaufel in der Turbinenscheibe gehalten wird. Unter Berücksichtigung der Dicke hat die erfindungsgemäße Legierung (bevorzugt A) eine 12,5% größere Niederzyklusermüdungsfestigkeit als die Legierung des US-Patents 4 719 080 beim Kerben-Niederzyklusermüdungsfestigkeitstest bei 1200°F.
  • Die erfindungsgemäße Legierung mit geringerer Dichte (bevorzugte Zusammensetzung A) verringert auch die Belastungen bzw. Kräfte, welche auf die tragende Turbinenscheibe wirken. Beim Betrieb der Maschine üben die Schaufeln eine beträchtliche Zentrifugalkraft auf die Scheibe aus, ein Effekt, der üblicherweise als Laufschaufel-Zug (blade pull) bezeichnet wird. Obwohl der Laufschaufel-Zug abhängig von der Maschinenkonstruktion und Betriebsbedingungen variiert, bewirkt die bevorzugte Zusammensetzung A in einer typischen modernen Maschine eine vorteilhafte Reduktion von 9% des relativen Laufschaufel-Zugs, wie unten gezeigt.
    • – PWA 1484 + metallische Bindungsschicht + stabilisierte Zirkonoxid-Wärmebarrierebeschichtung = 100% relativer Laufschaufel-Zug
    • – PWA 1480 + metallische Bindungsschicht + stabilisierte Zirkonoxid-Wärmebarrierebeschichtung = 97,5% relativer Laufschaufel-Zug
    • – erfindungsgemäße Legierung ohne metallische Bindungsschicht + stabilisierte Zirkonoxid-Wärmebarrierebeschichtung = 91% relativer Laufschaufel-Zug
  • Da die Dichte von PWA 1480 die gleiche Dichte wie die erfindungsgemäße Legierung mit der bevorzugten Zusammensetzung A hat, ist ersichtlich, dass durch Eliminieren der metallischen Bindungsschicht (was ein Vorteil der Erfindung ist) der Zug auf der Laufschaufel um fast 7% reduziert werden kann. Es ist auch ersichtlich, dass (unter Berücksichtigung des Gewichts der Bindungsschicht) die geringere Dichte der erfindungsgemäßen Legierung den Zug auf die Laufschaufel um ca. 2,5% reduziert.
  • Daher führt die Erfindung zu einer beträchtlichen Verringerung des Laufschaufel-Zugs, ein entscheidender Maschinen-Designfaktor. Der verringerte Laufschaufel-Zug erhöht die Niederzyklusermüdungsfestigkeit bzw. -lebensdauer und ermöglicht dem Konstrukteur, Größe und Gewicht der Turbinenscheibe zu verringern.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung ist die verbesserte Beständigkeit einer wärmebarrierebeschichteten Laufschaufel gegenüber thermomechanischer Ermüdungsrissbildung während des Betriebs.
  • Thermomechanische Ermüdungsrissbildung umfasst Risse, welche an der Substratoberfläche eines gekühlten Strömungsprofils als Folge von thermischen Zyklen beginnen. Thermomechanische Rissbildung wird auch verschlimmert durch den Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und dem Inneren der gekühlten Laufschaufel. Moderne Turbinenlaufschaufeln sind luftgekühlt, wobei die Temperatur der Außenfläche reichen kann von 1600 bis über 2000°F (871 bis über 1093°C), während die Temperatur der inneren Fläche 800°F (427°C) übersteigen kann.
  • In einem Test der thermomechanischen Ermüdungsrissbildung an simulierten Laufschaufelproben, welcher bei 1900°F (1038°C) durchgeführt wurde, wobei sowohl Temperatur als auch die aufgebrachte Belastung zyklisch waren (wobei die Belastung gesteuert wurde, um eine Belastung von 0,25% zu erzeugen), hatte die bereits beschriebene PWA 1484 Legierung mit einer metallischen Bindungsschicht eine Rissbildungslebensdauer, welche nur 1/3 der Lebensdauer der Legierung der Erfindung (bevorzugte Zusammensetzung A) war, welche unter den gleichen Bedingungen getestet wurde.
  • Es ist daher ersichtlich, dass die Eliminierung der konventionell verwendeten Bindungsschicht mit EBPVD-Beschichtungen einen weiteren beträchtlichen Vorteil hat.
  • Die vorliegende Erfindung kann mit oder ohne eine Wärmebarrierebeschichtung verwendet werden, und wenn sie so verwendet wird, zeigt sie eine beträchtliche unbeschichtete Oxidationsbeständigkeit.
  • Beispiel II
  • Mehrere Sätze Proben wurden in einem Brenner in einem zyklischen Oxidationstest getestet, 4 min in einer Flamme von 2100°F (1149°C), gefolgt von 2 min erzwungener Luftkühlung.
  • Die Proben waren wie folgt:
    • 1. Einkristallproben von PWA 1480 (US-Patent 4 209 348)
    • 2. Einkristallproben von PWA 1480 (US-Patent 4 719 080)
    • 3. Einkristallproben von PWA 1487 (US-Patent 5 262 245)
    • 4. Einkristallproben mit der bevorzugten Zusammensetzung A von Tabelle 1, mit 0,1% Hf und 100 ppm Y
    • 5. Einkristallproben mit der bevorzugten Zusammensetzung A von Tabelle 1, mit 0,35% Hf und 100 ppm Y
  • Die Testergebnisse waren wie folgt:
    • 1. 100% relative Oxidationslebensdauer
    • 2. 490% relative Oxidationslebensdauer
    • 3. 2600% relative Oxidationslebensdauer
    • 4. 2080% relative Oxidationslebensdauer
    • 5. 2140% relative Oxidationslebensdauer
  • Es ist ersichtlich, dass die Oxidationslebensdauer ohne Beschichtung der Erfindung deutlich besser als PWA 1480 und 1484 ist und nur geringfügig schlechter als PWA 1487, welche eine Legierung mit schlechteren mechanischen Eigenschaften gegenüber der erfindungsgemäßen Legierung ist.
  • Daher zeigt Beispiel I eine beträchtlich verbesserte Lebensdauer bezüglich der Absplitterung der Wärmebarrierebeschichtung, und Beispiel II zeigt eine beträchtlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit im unbeschichteten Zustand für die erfindungsgemäße Legierung durch die einfachen und geringfügigen Zusätze von Yttrium und Hafnium, welche zu dramatischen Ergebnissen führen.

Claims (10)

  1. Superlegierungsgegenstand auf Nickelbasis, aufweisend: a) ein direktional gegossenes Substrat mit einer Einkristall-Mikrostruktur oder säulenartigen Korn-Mikrostruktur und einer Zusammensetzung, bestehend aus: von 7% bis 13% Cr; von 4,5% bis 7% Al; von 1% bis 2% Ti; von 3% bis 11% W; bis zu 12,5% Ta; bis zu 15% Co; von 0,05% bis 1,5% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 3,5% Mo; bis zu 1% Re; bis zu 0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,1% Zr; bis zu 2% Nb; bis zu 2% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Substratzusammensetzung einen Parameter P hat, der durch die folgende Gleichung berechnet ist: P = –200 Cr + 80 Mo2 – 250 Ti2 – 50(Ti × Ta) + 15 Nb + 200 W – 14 W2 + 30 Ta – 1,5 Ta2 + 2,5 Co + 1200 Al – 100 Al2 + 100 Re + 1000 Hf – 2000 Hf2 + 700 Hf3 – 2000 V – 500 C – 15000 B – 500 Zr,welcher 2500 nicht übersteigt; b) eine haltbare haftende Aluminiumoxidschicht, welche mindestens an einem Teil des Substrats haftet; und c) keramische Wärmebarrierebeschichtung, welche an der Aluminiumoxidschicht haftet.
  2. Superlegierungsgegenstand nach Anspruch 1, wobei die Menge Al + Ti + 0,2 Ta (in Gew.-%) im Bereich von 7 bis 10 ist und die Menge von W + 0,8 Ta (in Gew.-%) im Bereich von 12 bis 18 ist.
  3. Superlegierungsgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Substratzusammensetzung besteht aus (in Gew.-%): von 8% bis 12% Cr; von 4,5% bis 5,5% Al; von 1% bis 2% Ti; von 3% bis 5% W; von 10% bis 12,5% Ta; von 3% bis 7% Co; von 0,25% bis 0,45% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 1% Mo; bis zu 1% Re; bis zu 0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,05% Zr; bis zu 1% Nb; bis zu 1% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen.
  4. Superlegierungsgegenstand wie beansprucht Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Substratzusammensetzung besteht aus: von 7,5% bis 8,2% Cr; von 5,45% bis 5,75% Al; von 1% bis 1,2% Ti; von 7,6% bis 8,4% W; von 5,8% bis 6,2% Ta; von 4,3% bis 4,9% Co; von 0,15% bis 0,5% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 0,3% bis 0,7% Mo; bis zu 1% Re; bis zu 0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,05% Zr; bis zu 1% Nb; bis zu 1% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen.
  5. Superlegierungsgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Substratzusammensetzung besteht aus (in Gew.-%): von 7% bis 13% Cr; von 4,5% bis 6,7% Al; von 1% bis 2% Ti; von 3% bis 11% W; bis zu 5% Ta; bis zu 15% Co; von 0,15% bis 0,5% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 3,5% Mo; bis zu 1% Re; bis zu 0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,05% Zr; bis zu 2% Nb; bis zu 1,5% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen.
  6. Superlegierungsgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat eine Einkristall-Mikrostruktur hat.
  7. Superlegierungsgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat eine Gasturbinenmaschinen-Laufschaufel ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenmaschinenkomponente mit einer Bindungsschicht-freien thermischen Beschichtung, aufweisend die folgenden Schritte: a) direktionales Gießen einer Superlegierung mit einer Zusammensetzung, bestehend aus: von 7% bis 13% Cr; von 4,5% bis 7% Al; von 1% bis 2% Ti; von 3% bis 11% W; bis zu 12,5% Ta; bis zu 15% Co; von 0,05% bis 1,5% Hf; von 0,003% bis 0,040% Y; bis zu 3,5% Mo; bis zu 1% Re; bis zu0,05% C; bis zu 0,005% B; bis zu 0,1% Zr; bis zu 2% Nb; bis zu 2% V; Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Gussstück eine Einkristall-Mikrostruktur oder säulenartige Korn-Mikrostruktur hat, wobei die Substratzusammensetzung einen Parameter P hat, berechnet aus der Gleichung: P = –200 Cr + 80 Mo2 – 250 Ti2 – 50(Ti × Ta) + 15 Nb + 200 W – 14 W2 + 30 Ta – 1,5 Ta2 + 2,5 Co + 1200 Al – 100 Al2 + 100 Re + 1000 Hf – 2000 Hf2 + 700 Hf3 – 2000 V – 500 C – 15000 B – 500 Zr,welcher 2500 nicht übersteigt; b) Säubern der Oberfläche des Gussstücks; c) Entwickeln einer haltbaren haftenden Aluminiumoxidschicht auf der sauberen Oberfläche des Gussstücks durch Erwärmen des Gussstücks auf eine erhöhte Temperatur in einer Umgebung mit niedrigem Sauerstoffpotential; und d) Aufbringen einer keramischen Wärmebarrierebeschichtung auf die haltbare haftende Aluminiumoxidschicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Gussstück ein Einkristall-Gussstück ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Wärmebarrierebeschichtung aufgebracht wird durch physikalische Dampfabscheidung mit Elektronenstrahl (EBPVD) und eine säulenartige Struktur hat.
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